DE102020206218A1

DE102020206218A1 - Sensorvorrichtung und Verfahren zur Magnetfeldmessung

Info

Publication number: DE102020206218A1
Application number: DE102020206218.8A
Authority: DE
Inventors: Felix Michael Stuerner; Michael CURCIC
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2021-11-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung, mit einem Kristallkörper mit Farbzentren, einer Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Licht zur Anregung des Kristallkörpers, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellen (430) zur Anregung des Kristallkörpers, und einem Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgestrahltem Fluoreszenzlicht, wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus einem Mikrowellensignal mit einer Ursprungsfrequenz (fu) ein Mikrowellensignal mit einer Grundfrequenz zu erzeugen, wobei die Grundfrequenz einer Anregungsfrequenz des Kristallkörpers ohne äußeres, statisches Magnetfeld entspricht, und wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus dem Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz Mikrowellen mit zwei, in gleichem Abstand (f_B) um die Grundfrequenz angeordneten, Anregungsfrequenzen zu erzeugen, sowie ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung mit einem Kristallkörper mit Farbzentren sowie ein entsprechendes Verfahren zur Magnetfeldmessung.
Stand der Technik
Farbzentren wie beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere in einem Diamant bzw. Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht dabei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik eingesetzt werden. Durch Anregung solcher NV-Zentren mit Licht, insbesondere grünem Licht, und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz derselben beobachtet werden. Andere Beispiele derartiger Farbzentren sind Defektzentren in SiC oder SiV in Diamant.
Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann generell zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperatur genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV-Zentren bestehen konkret die Vorteile einer ultrahohen Empfindlichkeit (mitunter < 1 pT/VHz), einer Vektormagnetometrie (d.h. einer Richtungsbestimmung des Magnetfelds), eines hohen Messbereichs (> 1 T), einer Linearität (über den Zeemaneffekt) sowie das Fehlen einer Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht (ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine orts- und zeitunabhängige Konstante ist).
Um einen auf NV-Zentren basierenden Sensor auszulesen, kann die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert werden (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu kann das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Das rot-verschobene Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspin-Resonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeeman-Effekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Dabei gibt es für eine bestimmte Orientierung zwei dieser Dips bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes, nämlich für die beiden Spin-Niveaus m_s=±1 , die auch einer unterschiedlichen Anregungsfrequenz durch die Mikrowellen entsprechen. Um diese beiden Dips zu ermitteln, kann die Frequenz der Mikrowellen verstimmt bzw. verändert werden, sodass ein gewisses Spektrum an Frequenzen „durchgefahren“ werden kann.
Aus der US 2018/0136291 A1 ist beispielsweise eine Möglichkeit bekannt, auch mehrere Frequenzen gleichzeitig zu erzeugen, um den Ablauf zu beschleunigen. Eine Zuordnung der damit ermittelten Dips in dem Fluoreszenzlicht zu den beiden Niveaus ms=±1 ist damit aber nicht direkt möglich.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Magnetfeldmessung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit einer Sensorvorrichtung zur Magnetfeldmessung, die einen Kristallkörper mit Farbzentren, eine Lichterzeugungseinrichtung zum Erzeugen von (insbesondere sichtbarem) Licht zur Anregung des Kristallkörpers, eine Hochfrequenzeinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellen zur Anregung des Kristallkörpers, und einem Detektor zum Erfassen von von dem Kristallkörper ausgestrahltem Fluoreszenzlicht aufweist.
Als Kristallkörper mit Farbzentren kommt dabei insbesondere ein Diamant bzw. Diamantgitter mit den bereits erwähnten sog. NV-Zentren (Stickstoff-Fehlstellen) in Betracht. Auch wenn hier und nachfolgend insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen bzw. NV-Zentren in Diamant als Kristallkörper die Rede ist, so sind diese Erläuterungen nur beispielhaft und gelten entsprechend für andere Arten von Farbzentren in Kristallkörpern. Zum optischen Anregen von NV-Zentren eignen sich insbesondere Laserlichtquellen, die auf den NV-dotierten Diamanten fokussiert werden.
Bei der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung ist die Hochfrequenzeinrichtung dazu eingerichtet, aus einem Mikrowellensignal mit einer Ursprungsfrequenz ein Mikrowellensignal mit einer Grundfrequenz zu erzeugen, und zwar insbesondere mittels sog. Einseitenbandmodulation. Dabei entspricht die Grundfrequenz einer Anregungsfrequenz des Kristallkörpers ohne äußeres statisches Magnetfeld, berücksichtigt aber insbesondere schon eine temperaturabhängige Verschiebung der Anregungsfrequenz. Mit anderen Worten entspricht die Grundfrequenz vorzugsweise der Anregungsfrequenz des Kristallkörpers ohne äußeres, statisches Magnetfeld für die herrschende Temperatur.
Weiterhin ist die Hochfrequenzeinrichtung dazu eingerichtet, aus dem Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz Mikrowellen mit zwei, in gleichem (absolutem) Abstand um die Grundfrequenz angeordneten, Anregungsfrequenzen zu erzeugen. Dies kann insbesondere mittels einer sog. Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger erfolgen.
Gegenüber einem zeitlich hintereinander geschalteten Anregen des Kristalls mit Mikrowellen zweier verschiedener Frequenzen bzw. einem schnellen Hin- und Herschalten zwischen zwei solchen Frequenzen können durch das gleichzeitige Anregen der beiden Spin-Niveaus mit zwei Frequenzen das Auslesen bzw. das Erfassen der Dips im Fluoreszenzlicht - und damit der gesamte Messvorgang - deutlich schneller erfolgen. Nur wenn beide Spin-Niveaus gleichzeitig getroffen werden, ist das Signal minimal (bzw. der Dip maximal).
Wie sich herausgestellt hat, ermöglicht aber erst das Anpassen der Mikrowellen an die erwähnte Grundfrequenz, und zwar insbesondere bereits kompensiert um eine temperaturabhängige Änderung dieser Anregungsfrequenz des Kristallkörpers ohne äußeres, statisches Magnetfeld (hier wird auch vom, ggf. temperaturkompensierten, Zero-Field-Splitting gesprochen), dass diese zwei Frequenzen auch direkt und zugleich - z.B. im Rahmen eines Lock-in-Verfahrens - den zwei Spin-Niveaus ms=±1 zugeordnet werden.
Dies liegt insbesondere darin begründet, dass ein solcher Kristallkörper für eine bestimmte Orientierung (im äußeren Magnetfeld) zwar für die zwei Spin-Niveaus immer zwei Dips im Fluoreszenzlicht erzeugt, die Abstände der beiden Dips für verschiedene Orientierungen aber unterschiedlich sind oder zumindest sein können. Wenn nun einfach zwei solcher Dips ermittelt (oder aufgefunden) werden, kann nicht beurteilt werden, ob diese zur gleichen Orientierung gehören. Würde bei der Berechnung des Magnetfelds der Abstand zweier Dips verschiedener Orientierung verwendet, würde nicht das korrekte Magnetfeld ermittelt. Bei dem in der US 2018/0136291 A1 vorgeschlagenen Verfahren müssen daher erst noch weitere Dips ermittelt werden, um letztlich die Orientierung und ggf. auch einen Temperatureffekt herausrechnen zu können.
Wenn aber z.B. mittels der erwähnten Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger, bei der in positive wie negative Richtung eine Frequenz (die Grundfrequenz) um den gleichen Betrag geändert wird, bei der Wahl der Frequenzen schon zu Beginn eine Frequenz gewählt wird, von der bekannt ist, dass die Dips derselben Orientierung davon den gleichen Abstand (in positive bzw. negative Richtung) haben müssen, können diese beiden Frequenzen unmittelbar den beiden Spin-Niveaus zugeordnet werden. Dies erlaubt nicht nur eine schnellere Messung, sondern auch eine Einsparung von Komponenten, insbesondere RF-Komponenten. Zudem ist eine kompaktere Bauform möglich, da der letztlich mit der Hochfrequenzeinrichtung bzw. Mikrowellenquelle im Rahmen einer Verstimmung abdeckbare Frequenzbereich nicht mehr so groß sein muss.
Vorzugsweise ist die Hochfrequenzeinrichtung auch dazu eingerichtet, das Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz von einer anderen, insbesondere externen, Hochfrequenzeinrichtung zu empfangen. Hier kommen z.B. existierende Mikrowellenquellen wie ein WLAN-Oszillator in einem Handy bzw. Smartphone oder eine Signalquelle nach dem sog. ZigBee-Standard in Betracht. Aus diesen Mikrowellensignalen kann dann z.B. mittels der Einseitenbandmodulation (auch als SSB, engl.: „Single Side Band“ (Modulation) bezeichnet) die Grundfrequenz erzeugt werden. Dies kann auch in zwei Stufen erfolgen, sodass zunächst eine Grundfrequenz bzw. Anregungsfrequenz des Kristallkörpers ohne äußeres, statisches Magnetfeld bei Normaltemperatur erzeugt wird. Davon ausgehend kann dann je nach aktueller Temperatur die Frequenz nochmals angepasst werden.
Je nach Ursprungsfrequenz und (temperaturkompensierter) Grundfrequenz kann mit der Einseitenbandmodulation eine Erhöhung (USB, engl.: „Upper Side Band“) oder eine Reduzierung (LSB, engl.: „Lower Side Band“) vorgenommen werden. Hierbei kann auch eine Einseitenbandmodulation ohne Träger (SSB-SC, engl. „Single Side Band (Modulation) Supressed Carrier“) verwendet werden, bei dem nur die geänderte Frequenz, aber nicht mehr die Ausgangsfrequenz verbleibt. Bei der Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger (DSB-SC, engl.: „Double Side Band (Modulation) Suppressed Carrier“) ist die Ausgangsfrequenz auch nicht mehr vorhanden.
Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung auch dazu eingerichtet, von einem dem erfassten Fluoreszenzlicht entsprechenden Messsignal ein Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln. Zweckmäßig kann auch sein, wenn zudem ein Grundrauschen ermittelt werden kann. Anhand des Signal-Rausch-Verhältnisses kann nämlich besonders einfach und schnell die schon erwähnte Temperaturkompensation, um die Grundfrequenz zu erhalten, vorgenommen werden. Hierzu kann eine Frequenz dahingehend angepasst werden, dass ein maximaler Wert des Signal-Rausch-Verhältnisses vorliegt. Dann ist nämlich davon auszugehen, dass die relevante Anregungsfrequenz möglichst genau getroffen ist. Gleiches gilt für das Einstellen bzw. Anpassen der zwei, in gleichem Abstand um die Grundfrequenz angeordneten Anregungsfrequenzen.
Hinsichtlich der Vorteile und weiterer bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens sei auf die vorstehenden Ausführungen zur Sensorvorrichtung verwiesen, die hier entsprechend gelten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch einen Kristallkörper mit einem Defekt, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens oder bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann.
2 bis 7 zeigen Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern mit Defekten.
8 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Sensorvorrichtung, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet bzw. hergestellt wird.
9 zeigt schematisch einen Teil einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform.
10 und 11 zeigen schematisch die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch ein Kristallkörper 100 mit einem als Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (Nitrogen-Vacancy-Zentrum bzw. NV-Zentrum) ausgebildeten Defekt bzw. Farbzentrum, wie er im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. bei einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung verwendet werden kann, dargestellt. Bei dem Kristallkörper 100 handelt es sich beispielhaft um einen Diamanten bzw. ein Diamantgitter, welcher idealerweise nur Kohlenstoffatome aufweist. Bei einem solchen NV-Zentrum sind nun jedoch ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom (N) 110 und ein nächster Nachbar durch eine Fehlstelle (V) 115 ersetzt. Zusammen bilden diese beiden Positionen im Diamantgitter den Defekt bzw. ein Farbzentrum - das NV-Zentrum. Es versteht sich, dass ein solcher Kristallkörper 100 weitere solche NV-Zentren aufweisen kann.
In den 2 bis 7 sind nun Energieschemata und Diagramme zu Fluoreszenzeigenschaften von Kristallkörpern, wie beispielhaft in Bezug auf 1 beschrieben und im Rahmen der Erfindung verwendet, dargestellt.
In 2 ist hierzu ein Energieschema 200 ohne Hochfrequenzsignalanregung bzw. ohne Mikrowellenanregung (das zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes dient) und ohne Magnetfeldanregung gezeigt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, ein Fluoreszenzsignal bzw. Fluoreszenzlicht 220 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige von Elektronen besetzbare Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E dargestellt sind.
In 3 ist ein Diagramm 300 zu dem Energieschema aus 2 dargestellt. In dem Diagramm 300 ist an der Abszissenachse 302 beispielhaft eine Mikrowellenfrequenz, beispielsweise in Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz), aufgetragen. An der Ordinatenachse 304 ist eine Fluoreszenz in beliebigen Einheiten aufgetragen, wobei ein zur Ordinatenachse 304 paralleler Pfeil 306 ein ansteigendes (statisches) Magnetfeld B symbolisiert.
Ferner sind in 3 beispielhaft vier Kennlinien bzw. Graphen 310, 312, 314 und 316 dargestellt, die einen Fluoreszenzverlauf für unterschiedlich starke Magnetfelder repräsentieren. Ein erster Graph 310 repräsentiert ein Magnetfeld mit der Stärke 0, d.h. B=0, ein zweiter Graph 312 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 2,8 mT, ein dritter Graph 314 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 5,8 mT, und ein vierter Graph 360 repräsentiert beispielsweise ein Magnetfeld der Stärke 8,3 mT.
Minima einer Fluoreszenz sind lediglich beispielhaft für den zweiten Graphen 312 mit ω₁ und ω₂ bezeichnet. Eine Markierung 320 auf dem ersten Graphen 310 repräsentiert den Sachverhalt aus dem Energieschema gemäß 2, d.h. ohne Magnetfeld (B=0) und ohne Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz, die von 2,87 GHz verschieden ist (d.h. f # 2,87 GHz). Die mit ansteigendem Magnetfeld aufgeteilten Minima der Kennlinien bzw. die Zunahme des Frequenzabstandes dieser Minima liegt in der mit zunehmendem Magnetfeld weiteren Aufspaltung der Energieniveaus m_s=±1 , wie oben erwähnt, begründet.
In 4 ist ein Energieschema 400 mit zusätzlicher Mikrowellenanregung (und damit hervorgerufenem magnetischem Wechselfeld) und ohne Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, eine Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0 und ms=±1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind.
In 5 ist ein Diagramm 500 zu dem Energieschema aus 4 gezeigt. Das Diagramm 500 in 5 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3, mit dem Unterschied, dass eine Markierung 520 auf dem ersten Graphen 310 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 4 repräsentiert, d.h. ohne (statisches) Magnetfeld (B=0), aber (im Vergleich zu 2 und 3) mit Mikrowellenanregung bzw. einer Mikrowellenfrequenz von f≈2,9 GHz.
Die Markierung 520 befindet sich hierbei in einem Bereich eines Minimums bzw. eines Fluoreszenzminimums des ersten Graphen 310. Diese Verschiebung gegenüber dem Sachverhalt gemäß 3 in das Minimum resultiert aus der erwähnten Mikrowellenanregung.
In 6 ist ein Energieschema 600 mit Mikrowellenanregung und mit Magnetfeld bzw. Anregung mit statischem Magnetfeld dargestellt, wobei sichtbares Licht bzw. Anregungslicht 210, Mikrowellenstrahlung bzw. Mikrowellen 430 und drei Zustände ³A, ³E und ¹A sowie jeweilige Energieniveaus ms=0, ms=-1 und m_s=+1 für die Zustände ³A und ³E hinsichtlich Elektronen dargestellt sind. Durch das vorhandene Magnetfeld weisen die Zustände ³A und ³E hier jeweils ein weiteres Energieniveau auf, da die Energieniveaus ms=±1 hier aufgetrennt sind.
Die Mikrowellenfrequenz kann hier f≈2,8 GHz oder f≈3,0 GHz betragen, wodurch die Elektronen im gezeigten Beispiel vom Niveau ³A, ms=0 in das Niveau ³A, ms=-1 bzw. m_s=+1 gehoben werden können.
In 7 ist ein Diagramm 700 zu dem Energieschema aus 6 gezeigt. Das Diagramm 700 in 7 entspricht hierbei dem Diagramm aus 3 bzw. 5, mit dem Unterschied, dass zwei Markierungen 720 und 725 auf dem zweiten Graphen 312 den Sachverhalt aus dem Energieschema von 6 repräsentieren, d.h. mit einem (statischen) Magnetfeld (d.h. B≠0) und mit variabler Mikrowellenanregung bzw. variabler Mikrowellenfrequenz.
Die Markierungen 720 und 725 sind jeweils in einem Bereich eines Minimums bzw. Fluoreszenzminimums des zweiten Graphen 312 angeordnet. Beispielsweise ist eine erste Markierung 720 im Bereich eines ersten Minimums ω₁ angeordnet und eine zweite Markierung 725 ist im Bereich eines zweiten Minimums ω₂ angeordnet (vgl. auch 5 zur Lage dieser Minima).
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 7 sind also mit anderen Worten und zusammenfassend ausgedrückt Energieschemata und Diagramme hinsichtlich der Funktionsweise einer Magnetfeldmessung über eine Fluoreszenzmessung bei zusätzlicher Mikrowellenanregung bzw. ein Beispiel für eine Messung von (statischen) Magnetfeldern gezeigt. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant weisen das in dem Diagramm bzw. im Energieschema 200 gemäß 2 gezeigte Energiespektrum bei Zimmertemperatur auf.
Im Normalzustand, d.h. ohne Mikrowellenanregung und ohne (externes, statisches) Magnetfeld, zeigt eine Stickstoff-Fehlstelle bei optischer Anregung eine Fluoreszenz im roten Wellenlängenbereich bei einer Wellenlänge von 630 nm. Strahlt man zusätzlich zu der optischen Anregung durch das Anregungslicht 210 noch Mikrowellenstrahlung 430 ein, so kommt es bei einer Frequenz von ca. 2,88 GHz zu einem Einbruch der Fluoreszenz, da die Elektronen in diesem Fall von dem Niveau m_s=±1 des Zustandes ³A auf das Niveau m_s=±1 des Zustandes ³E gehoben werden und von dort strahlungslos bzw. nicht-strahlend rekombinieren.
Bei einem externen Magnetfeld kommt es zu einer Aufspaltung des Niveaus ms=±1 (sog. Zeeman-Splitting bzw. Zeeman-Effekt) und es zeigen sich bei Auftragung der Fluoreszenz über die Frequenz der Mikrowellenanregung zwei Minima, beispielsweise die gezeigten Minima ω₁ und ω₂, im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand proportional zur magnetischen Feldstärke B ist. Eine Magnetfeldsensitivität wird dabei durch eine minimal auflösbare Frequenzverschiebung definiert und kann bis zu 1 pT/VHz erreichen.
Dieses Verfahren wird auch als ODMR (Optically Detected Magnetic Resonance bzw. optisch detektierte Magnetresonanz) bezeichnet. Hierbei kommt es bei einer Übereinstimmung der Mikrowellenfrequenz mit dem Energieabstand zwischen dem Zustand ³A, ms=0 und dem Niveau ms=±1 zu einem Einbruch der Fluoreszenz. Bei externem (statischem) Magnetfeld spaltet das Niveau ms=±1 auf und es existieren zwei definierte Mikrowellenfrequenzen, bei denen die Fluoreszenz abnimmt bzw. Minima vorliegen. Der Frequenzabstand ist dabei proportional zum Magnetfeld B.
In 8 ist schematisch die Funktionsweise einer Sensorvorrichtung, wie sie im Rahmen der Erfindung verwendet bzw. hergestellt wird, erläutert. Hierzu sei angemerkt, dass dabei keine Rücksicht auf die geometrischen Verhältnisse genommen wird, sondern lediglich die Funktion der einzelnen Komponenten erläutert wird.
Die Sensorvorrichtung 800 dient zur Magnetfeldmessung und weist neben einem Kristallkörper 100 mit Farbzentren, wie er - zumindest hinsichtlich seiner grundlegenden Funktion - schon in Bezug auf 1 näher erläutert wurde, eine Lichterzeugungseinrichtung 810, eine Hochfrequenzeinrichtung 820 und einen Detektor 870 auf. Die Lichterzeugungseinrichtung 810 wiederum weist eine Lichtquelle 811 wie beispielsweise einen Laser auf, mittels welcher insbesondere grünes, sichtbares Licht 210 erzeugt werden kann. Dieses Licht 210 wird dann ggf. über eine Optik oder Linse 850 auf den Kristallkörper 100 mit den Farbzentren bzw. Stickstoff-Fehlstellen gelenkt.
Die Hochfrequenzeinrichtung 820 ist dazu eingerichtet, Mikrowellen 430 zu erzeugen, die dann auf den Kristallköper 100 eingestrahlt bzw. gelenkt werden, um dort ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Hinsichtlich einer möglichen, insbesondere im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Erzeugung der nötigen Mikrowellen sei auf die noch folgenden Figuren und Ausführungen verwiesen.
Von dem Kristallkörper 100 ausgestrahltes Fluoreszenzlicht 220 wird dann ggf. über eine weitere Optik oder Linse 851, einen Filter 860 sowie noch eine weitere Optik oder Linse 852 auf den Detektor 870 gelenkt. Bei dem Detektor 870 kann es sich insbesondere um einen Photodetektor handeln. Über einen Analog-Digital-Wandler 871 kann ein vom Detektor 870 erzeugtes Signal einer Signalverarbeitungseinheit 872 zugeführt werden, um so Messergebnisse 873 zu erhalten. Hier kann z.B. auch ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ermittelt bzw. bestimmt werden.
In 9 ist schematisch ein Teil einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie z.B. in 8 gezeigt ist, dargestellt. Insbesondere ist hier die Hochfrequenzeinrichtung 820, mittels welcher die Mikrowellen 430, mit denen der Kristallkörper 100 angeregt wird, detaillierter gezeigt.
Die Hochfrequenzeinrichtung 820 erhält bzw. empfängt von einer externen Hochfrequenzeinrichtung bzw. Mikrowellenquelle 910 wie z.B. einem WLAN-Oszillator ein Mikrowellensignal mit einer Ursprungsfrequenz fu. Im Falle des WLAN-Oszillators kann diese z.B. 2,4 GHz betragen.
In der Hochfrequenzeinrichtung 820 wird das Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz fu im Wege einer Einseitenbandmodulation 931 (SSB) unter der Verwendung einer geeigneten Quelle bzw. Einheit 930 um eine Frequenz f_M geändert bzw. angepasst, nämlich z.B. auf die Zero-Field-Splitting-Frequenz für NV-Zentren in Diamant bei Zimmertemperatur von ca. 2,87 GHz. Die Frequenz f_M kann insofern auch fest vorgegeben sein.
Weiterhin wird das Mikrowellensignal im Wege einer Einseitenbandmodulation 941 (SSB) unter der Verwendung einer geeigneten Quelle bzw. Einheit 940 um eine Frequenz f_T geändert bzw. angepasst, nämlich z.B. auf die temperaturkompensierte Zero-Field-Splitting-Frequenz für NV-Zentren in Diamant, die im Rahmen der Erfindung auch als Grundfrequenz bezeichnet wird, die dann f=f_U+f_M+f_T entspricht. Die Frequenz f_T ist insofern abhängig von der aktuellen Temperatur und kann z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur gewählt werden. Bevorzugt ist es aber, wenn die nötige Anpassung auf die temperaturkompensierte Zero-Field-Splitting-Frequenz dadurch erfolgt, dass das Signal-Rausch-Verhältnis des dem erfassten Fluoreszenzlicht entsprechenden Messsignals maximiert wird.
Weiterhin werden aus dem Mikrowellensignal im Wege einer Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger 951 (DSBSC) unter der Verwendung einer geeigneten Quelle bzw. Einheit 950 zwei, in gleichem Abstand f_B um die Grundfrequenz angeordneten, Anregungsfrequenzen erzeugt. Hierzu wird die Grundfrequenz einmal um f_B reduziert, einmal um f_B erhöht. Auf diese Weise werden dann zwei Anregungsfrequenzen ν_±= f_U+f_M+f_T±f_B erhalten, mit denen der Kristallkörper bzw. Diamant dann gleichzeitig angeregt wird.
In 10 ist nochmals kurz die Funktionsweise der Einseitenbandmodulation und der Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger schematisch dargestellt. In Abbildung (a) wird aus einer allgemeinen Ausgangsfrequenz f_a eine höhere Frequenz f_a+f_b erzeugt, es handelt sich also um die sog. USB-Modulation. In Abbildung (b) wird aus einer allgemeinen Ausgangsfrequenz f_a eine niedrigere Frequenz f_a-f_b erzeugt, es handelt sich also um die sog. LSB-Modulation. In Abbildung (c) werden aus einer allgemeinen Ausgangsfrequenz f_a eine niedrigere Frequenz f_a-f_b und zugleich eine höhere Frequenz f_a+f_b erzeugt, es handelt sich also um die sog. DSBSC-Modulation.
Nachfolgend soll die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung anhand der magnetischen Resonanzen ν_± im NV-Zentrum von Diamant während einer ODMR-Messung im Hinblick auf die Erzeugung der zwei, in gleichem Abstand um die Grundfrequenz angeordneten Anregungsfrequenzen, nochmals näher erläutert werden.
Diese beiden Resonanzfrequenzen, die auch als Anregungsfrequenzen erzeugt werden sollen, ergeben sich wie folgt: $ν_{\pm} = D_{gs} + β \cdot Δ T \pm γ_{NV} B_{0},$
wobei D_gs≈2,87 GHz dem Zero-Field-Splitting entspricht und β = dD_gs/dT ≈-74.2 kHz/K der Temperaturabhängigkeit des Zero-Field-Splitting.
Eine Magnetfeldmessung erfolgte bisher derart, dass entweder eine der magnetischen Resonanzen ν_± oder beide sequentiell durch Durchstimmen einer Mikrowellenquelle in Kombination mit der optischen Antwort (ODMR-Prinzip) gemessen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden beide magnetischen Resonanzen ν_± simultan angeregt. Um auf eventuell vorhandene Mikrowellenquellen bzw. kostengünstige oder stabile monofrequente Mikrowellenquellen zurückgreifen zu können, wird für die Signalgenerierung ein Modulationsschema vorgeschlagen, um die nötigen Frequenzen ν_± im Mikrowellenbereich zu erzeugen.
Die genaue technische Umsetzung der SSB- bzw. DSBSC-Modulation, wie in 10 gezeigt, lässt sich auf unterschiedliche Weise realisieren und ist an sich bekannt.
Die Frequenz nach der zweiten SSB-Modulation soll dabei v₀ = f_a+f_M+f_T sein, also die Grundfrequenz. Im Allgemeinen kann auch eine Kombination der USB-Modulation bzw. der LSB-Modulation zum Erzeugen der Frequenz v₀ genutzt werden. Außerdem ist die Quelle mit der Frequenz f_M optional. Die Aufgabe dieser Quelle ist im Wesentlichen darin zu sehen, in einer Zwischenstufe die Frequenz der Mikrowellen in die Nähe des Zero-Field-Splitting (≈2.87 GHz) zu konditionieren. In der letzten Stufe (DSBSC-Modulation) werden die Summe der zwei Mikrowellen ν_±= f_U+f_M+f_T±f_B erzeugt und zum Kristallkörper geleitet.
Die Nachführung des Zero-Field-Splittings auf v₀ (Temperaturmessung) bzw. die Änderung der Frequenzen ν_± (Magnetfeldmessung) wird insbesondere dadurch erreicht, dass die gemessene optische Antwort (ODMR-Messung) auf Ihre Signalstärke oder allgemeiner auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bewertet wird und die Frequenzen f_T bzw. f_B so nachgestellt bzw. angepasst werden, dass das SNR maximal ist. Aus den auf diese Weise bestimmten Werten für f_T und f_B lassen sich Temperatur und Magnetfeld bestimmen.
In 11 sind in Abbildung (a) zunächst die zwei Frequenzen ν_± gezeigt. In Abbildung (b) ist dann die Wirkung einer Temperaturänderung, in Abbildung (d) die Wirkung einer Magnetfeldänderung dargestellt, und zwar jeweils zu einem beliebigen Anfangszustand B₀ und T. Wie leicht zu erkennen ist, führt eine Temperaturänderung zu einer Verschiebung der Resonanzen ν_± in eine Richtung. Diesem „Shift“ wird durch das Nachstellen der Frequenz im vorgeschlagenen Modulationsverfahren bzw. Auswerteverfahren Rechnung getragen. Somit ist die Frequenz f_T proportional zur Temperatur.
Eine Magnetfeldänderung hingegen führt zu einer der Aufspaltung der Resonanzen ν_± relativ zu v₀. Um in diesem Fall weiter die Fehlstelle(n) im NV-Zentrum resonant anzuregen, muss lediglich die Frequenz f_B nachgestellt werden. Somit ist die Frequenz f_B proportional zum Magnetfeld.
Auf diese Weise kann eine besonders effiziente, schnelle und kompakte Lösung zur Magnetfeldmessung (und Temperaturmessung) bereitgestellt werden. Die Magnetfeldbestimmung ist eine wichtige Aufgabe in der Sensorik. Sie dient dazu, um beispielsweise die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeugen oder mit dem Smartphone zu bestimmen. Darüber hinaus werden hochgenaue Magnetfeldsensoren bei der Ortung von metallischen oder magnetischen Gegenständen benötigt. Ein auf NV-Zentren basierter Magnetfeldsensor ist in der Lage, die benötigte Empfindlichkeit für die Ortung zu liefern. Eine weitere Anwendung ist eine sogenannte Mensch-Maschinen-Schnittstelle. Dabei können auf NV-Zentren basierte Magnetfeldsensoren die Magnetfelder am menschlichen Kopf nachweisen, die durch die Gehirnaktivität und die damit verbundenen Ströme entstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018/0136291 A1 [0006, 0014]

Claims

Sensorvorrichtung (800) zur Magnetfeldmessung, mit einem Kristallkörper (100) mit Farbzentren (105, 110), einer Lichterzeugungseinrichtung (810) zum Erzeugen von Licht (210) zur Anregung des Kristallkörpers (100), einer Hochfrequenzeinrichtung (820) zum Erzeugen von Mikrowellen (430) zur Anregung des Kristallkörpers (100), und einem Detektor (870) zum Erfassen von von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltem Fluoreszenzlicht (220), wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus einem Mikrowellensignal mit einer Ursprungsfrequenz (fu) ein Mikrowellensignal mit einer Grundfrequenz (vo) zu erzeugen, wobei die Grundfrequenz einer Anregungsfrequenz des Kristallkörpers (100) ohne äußeres, statisches Magnetfeld entspricht, und wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus dem Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz (vo) Mikrowellen mit zwei, in gleichem Abstand (f_B) um die Grundfrequenz angeordneten Anregungsfrequenzen (ν_±) zu erzeugen.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus dem Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz (fu) das Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz (vo) zu erzeugen, indem eine temperaturabhängige Verschiebung der Anregungsfrequenz des Kristallkörpers (100) ohne äußeres, statisches Magnetfeld berücksichtigt wird.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, aus dem Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz (fu) mittels Einseitenbandmodulation (931, 941) das Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz (vo) zu erzeugen.
Sensorvorrichtung (800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenzeinrichtung dazu eingerichtet ist, aus dem Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz mittels Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger (951) die Mikrowellen mit zwei, in gleichem Abstand um die Grundfrequenz (vo) angeordneten Anregungsfrequenzen (ν_±) zu erzeugen.
Sensorvorrichtung (800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, das Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz (fu) von einer anderen, insbesondere externen, Hochfrequenzeinrichtung (910) zu empfangen.
Sensorvorrichtung (800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, von einem dem erfassten Fluoreszenzlicht (220) entsprechenden Messsignal ein Signal-Rausch-Verhältnis zu ermitteln.
Sensorvorrichtung (800) nach Anspruch 6, wobei die Hochfrequenzeinrichtung (820) dazu eingerichtet ist, die Grundfrequenz und/oder die zwei, in gleichem Abstand um die Grundfrequenz (vo) angeordneten Anregungsfrequenzen in Abhängigkeit von dem ermittelten Signal-Rausch-Verhältnis zu erzeugen oder anzupassen.
Verfahren zur Magnetfeldmessung, bei dem ein Kristallkörper (100) mit Farbzentren (105, 110) mittels sichtbaren Lichts (210) angeregt wird, wobei aus einem Mikrowellensignal mit einer Ursprungsfrequenz (fu), insbesondere mittels Einseitenbandmodulation (931, 941), ein Mikrowellensignal mit einer Grundfrequenz (vo) erzeugt werden, wobei die Grundfrequenz (vo) einer Anregungsfrequenz des Kristallkörpers (100) ohne äußeres, statisches Magnetfeld entspricht, wobei aus dem Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz (ν₀), insbesondere mittels Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger (951), Mikrowellen mit zwei, in gleichem Abstand um die Grundfrequenz (vo) angeordneten Anregungsfrequenzen (ν_±) erzeugt werden, wobei der Kristallkörper (100) weiterhin mittels der Mikrowellen mit den zwei Anregungsfrequenzen angeregt wird, und wobei von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltes Fluoreszenzlicht (220) erfasst und zum Bestimmen eines Magnetfelds verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei aus dem Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz (fu) das Mikrowellensignal mit der Grundfrequenz (vo) erzeugt wird, indem eine temperaturabhängige Verschiebung der Anregungsfrequenz des Kristallkörpers (100) ohne äußeres, statisches Magnetfeld berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei von einem dem erfassten Fluoreszenzlicht (220) entsprechenden Messsignal ein Signal-Rausch-Verhältnis ermittelt und beim Bestimmen des Magnetfelds berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem eine Sensorvorrichtung (800) mit einer Lichterzeugungseinrichtung (810) zum Erzeugen von sichtbarem Licht (210) zur Anregung des Kristallkörpers (100), eine Hochfrequenzeinrichtung (820) zum Erzeugen der Mikrowellen (430) mit den zwei Anregungsfrequenzen zur Anregung des Kristallkörpers (100), und einem Detektor (870) zum Erfassen von von dem Kristallkörper (100) ausgestrahltem Fluoreszenzlicht (220) verwendet wird, und wobei das Mikrowellensignal mit der Ursprungsfrequenz von einer von der Sensorvorrichtung (800) getrennten, insbesondere externen, Hochfrequenzeinrichtung (910) in der Sensorvorrichtung (800) empfangen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem eine Sensorvorrichtung (800) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.